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來(lái)源: 澎湃新聞 ·以量子為核心的超級(jí)計(jì)算機(jī)有著廣闊的應(yīng)用前景：可以利用強(qiáng)大的量子計(jì)算能力來(lái)揭示化學(xué)反應(yīng)和分子過(guò)程動(dòng)力學(xué)的新奧秘；幫助研究人員通過(guò)模擬更優(yōu)的碳捕獲方案來(lái)應(yīng)對(duì)氣候變化的挑戰(zhàn)；發(fā)現(xiàn)制造更清潔、更可持續(xù)的電動(dòng)汽車電池和電網(wǎng)所需的材料；發(fā)現(xiàn)更高效、更節(jié)能的肥料制造方法等。 當(dāng)?shù)貢r(shí)間5月22日，在日本廣島舉行的G7峰會(huì)上，美國(guó)科技公司、量子計(jì)算行業(yè)的“藍(lán)色巨人”IBM宣布了一項(xiàng)為期10年、耗資1億美元的計(jì)劃——該公司將與東京大學(xué)和芝加哥大學(xué)合作建造由10萬(wàn)個(gè)量子比特（量子信息處理的基本單位）驅(qū)動(dòng)的量子計(jì)算機(jī)。如果該計(jì)劃實(shí)現(xiàn)，將能夠解決一系列世界上迫切需要解決的問(wèn)題，例如找出新藥物、探索暗物質(zhì)、破譯密碼等，迎來(lái)以量子為中心的超級(jí)計(jì)算機(jī)時(shí)代。 近日，美國(guó)《麻省理工學(xué)院技術(shù)評(píng)論》根據(jù)對(duì)IBM量子業(yè)務(wù)副總裁杰·甘貝塔（Jay Gambetta）的采訪，詳細(xì)介紹了這項(xiàng)新計(jì)劃的內(nèi)容。 
IBM的10萬(wàn)個(gè)量子比特驅(qū)動(dòng)的量子計(jì)算機(jī)概念渲染圖，預(yù)計(jì)將于2033年部署。 “以量子為中心的超級(jí)計(jì)算機(jī)” 一直以來(lái)，超級(jí)計(jì)算機(jī)都是全球多國(guó)重點(diǎn)研發(fā)和建設(shè)的對(duì)象，如美國(guó)的“深藍(lán)”“沃森（Waston）”和“Frontier”，日本的“富岳”，芬蘭的“LUMI”，還有中國(guó)的“曙光”“天河一號(hào)”“天河二號(hào)”和“神威·太湖之光”等，都是知名的超級(jí)計(jì)算機(jī)。 然而，傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)不能解決一些經(jīng)典計(jì)算無(wú)法處理的復(fù)雜問(wèn)題，這就是量子計(jì)算的優(yōu)勢(shì)所在——量子計(jì)算利用基本粒子的獨(dú)特特性來(lái)儲(chǔ)存和處理信息：微觀粒子可以同時(shí)以多種能量狀態(tài)存在，這種現(xiàn)象被稱為疊加，粒子的狀態(tài)可以相互聯(lián)系或糾纏。這意味著信息可以以全新的方式進(jìn)行編碼和操縱，為許多經(jīng)典計(jì)算架構(gòu)下不可能完成的計(jì)算任務(wù)打開(kāi)了大門。 以量子為核心的超級(jí)計(jì)算機(jī)有著廣闊的應(yīng)用前景：可以利用強(qiáng)大的量子計(jì)算能力來(lái)揭示化學(xué)反應(yīng)和分子過(guò)程動(dòng)力學(xué)的新奧秘；幫助研究人員通過(guò)模擬更優(yōu)的碳捕獲方案來(lái)應(yīng)對(duì)氣候變化的挑戰(zhàn)；發(fā)現(xiàn)制造更清潔、更可持續(xù)的電動(dòng)汽車電池和電網(wǎng)所需的材料；發(fā)現(xiàn)更高效、更節(jié)能的肥料制造方法等。 而10萬(wàn)量子比特的系統(tǒng)，將幫助解決世界上一些最緊迫的問(wèn)題，即使是當(dāng)今最先進(jìn)的超級(jí)計(jì)算機(jī)也可能永遠(yuǎn)無(wú)法解決或單獨(dú)解決這些問(wèn)題。 2022年底，IBM發(fā)布了包含433個(gè)量子比特的“魚(yú)鷹”（Osprey）處理器，創(chuàng)下了最大量子計(jì)算系統(tǒng)的紀(jì)錄。這一成果為未來(lái)更大規(guī)模的量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。 IBM的愿景是，10萬(wàn)量子比特的量子計(jì)算機(jī)與最好的經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)一起工作，在藥物發(fā)現(xiàn)、肥料生產(chǎn)、電池性能和許多其他應(yīng)用方面實(shí)現(xiàn)新的突破。“我們稱它為以量子為中心的超級(jí)計(jì)算機(jī)�！盜BM量子業(yè)務(wù)副總裁甘貝塔在采訪中說(shuō)，“為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們已經(jīng)把目光投向了一個(gè)關(guān)鍵的里程碑：到2033年實(shí)現(xiàn)10萬(wàn)（量子）比特的系統(tǒng)。” 會(huì)上，IBM表示將推出該系統(tǒng)架構(gòu)的3個(gè)基石：一是新的133量子比特IBM Heron處理器，具有新的兩量子比特門（Binary Gate）以實(shí)現(xiàn)更高的性能，還將與未來(lái)的擴(kuò)展兼容，使模塊化連接的處理器能夠擴(kuò)展計(jì)算機(jī)的規(guī)模。二是推出IBM Quantum System Two，這是一個(gè)模塊化和靈活的旗艦系統(tǒng)，目標(biāo)是在2023年底之前上線。第三是引入量子中間件，這是一組在經(jīng)典處理器和量子處理器上運(yùn)行工作負(fù)載的工具，包括用于分解、并行執(zhí)行和重構(gòu)工作負(fù)載的工具，以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的高效解決方案。 需要更多的“量子計(jì)算科學(xué)家” 到目前為止，量子計(jì)算機(jī)還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)無(wú)法做到的有用操作，主要是因?yàn)檫@些量子計(jì)算機(jī)沒(méi)有足夠的量子比特，而且系統(tǒng)很容易被環(huán)境中的微小擾動(dòng)破壞，物理學(xué)家稱之為噪聲。盡管研究人員一直在探索如何處理噪聲，但大多數(shù)人預(yù)計(jì)，量子系統(tǒng)必須大幅擴(kuò)展才能將大部分量子比特用于校正噪聲引起的誤差，并在校正后支撐有用的計(jì)算。 另外，量子比特的擴(kuò)展還面臨著其他問(wèn)題。目前，IBM的每個(gè)超導(dǎo)量子比特的運(yùn)行功率大約是65瓦。“如果我想做一臺(tái)擁有10萬(wàn)量子比特的計(jì)算機(jī)，那就需要非常多的能源：這相當(dāng)于要用一個(gè)建筑物大小的空間、一個(gè)核電站和十億美元來(lái)造一臺(tái)機(jī)器。”甘貝塔說(shuō)，“從5000量子比特?cái)U(kuò)展到10萬(wàn)量子比特，顯然需要技術(shù)創(chuàng)新�！� 目前，IBM已經(jīng)進(jìn)行了原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，表明基于“互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體”（CMOS）技術(shù)的集成電路可以安裝在冷量子位旁邊，只需幾十毫瓦即可控制它們。 然而，甘貝塔承認(rèn)，以量子為中心的超級(jí)計(jì)算所需的技術(shù)尚未實(shí)現(xiàn)，這就是為什么學(xué)術(shù)研究是該項(xiàng)目重要組成部分的原因。 兩所大學(xué)在技術(shù)創(chuàng)新方面的貢獻(xiàn)必不可少。甘貝塔說(shuō)，東京和芝加哥的研究人員已經(jīng)在組件和通信創(chuàng)新等領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展，這些領(lǐng)域可能是最終產(chǎn)品的重要組成部分。他認(rèn)為，未來(lái)十年可能會(huì)有更多的產(chǎn)學(xué)合作。“我們必須幫助大學(xué)做他們最擅長(zhǎng)的事情。”他說(shuō)。 甘貝塔在采訪中強(qiáng)調(diào)，這個(gè)行業(yè)還需要更多的“量子計(jì)算科學(xué)家”，對(duì)于創(chuàng)造機(jī)器的物理學(xué)家和希望設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)有用算法的開(kāi)發(fā)人員之間的分歧，這些“量子計(jì)算科學(xué)家”可以起到彌合他們的作用。 除了硬件上的創(chuàng)新，在量子機(jī)器上運(yùn)行的軟件也至關(guān)重要。甘貝塔表示，“我們希望盡快建立起這個(gè)行業(yè)，最好的方法是讓人們開(kāi)發(fā)與我們的經(jīng)典軟件庫(kù)類似的軟件�！� 他表示，這就是為什么IBM在過(guò)去幾年里一直致力于向?qū)W術(shù)研究人員提供其系統(tǒng)：IBM的量子處理器可以通過(guò)云服務(wù)使用定制的接口來(lái)工作。他說(shuō)，已經(jīng)有大約2000篇關(guān)于使用該公司量子設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的研究論文：“對(duì)我來(lái)說(shuō)，這個(gè)跡象表明創(chuàng)新正在發(fā)生�！� 難度很大 IBM表示，他們不能保證為該項(xiàng)目指定的1億美元足以實(shí)現(xiàn)10萬(wàn)量子比特的目標(biāo)，“實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)肯定有風(fēng)險(xiǎn)�！备守愃f(shuō)。 新加坡量子軟件開(kāi)發(fā)商Horizon Quantum的首席執(zhí)行官喬·菲茨西蒙斯（Joe Fitzsimons）對(duì)此表示贊同。“這可能不是一段一帆風(fēng)順的旅程�！彼硎�。 “但這是一個(gè)必須承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)�！狈拼奈髅伤寡a(bǔ)充道，行業(yè)必須面對(duì)失敗的恐懼，并嘗試克服大規(guī)模量子計(jì)算所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。他認(rèn)為，盡管存在許多潛在的障礙，但I(xiàn)BM的計(jì)劃是合理的�！霸谶@種規(guī)模下，控制系統(tǒng)將是一個(gè)限制因素，需要大幅發(fā)展，以合理有效的方式支持如此大量的量子比特�！彼f(shuō)。 事實(shí)上，IBM并不是第一個(gè)有如此雄心的公司。此前，谷歌曾表示，其目標(biāo)是在21世紀(jì)末實(shí)現(xiàn)100萬(wàn)個(gè)量子比特，盡管除開(kāi)糾錯(cuò)以外只有1萬(wàn)個(gè)量子比特可用于計(jì)算；總部位于美國(guó)馬里蘭州的IonQ計(jì)劃在2028年前實(shí)現(xiàn)1024個(gè)“邏輯量子比特”的運(yùn)算，每個(gè)邏輯量子比特將包括13個(gè)物理量子比特組成的糾錯(cuò)電路；與谷歌一樣，總部位于美國(guó)帕洛阿爾托（Palo Alto）的PsiQuantum也計(jì)劃建造一臺(tái)百萬(wàn)量子比特的量子計(jì)算機(jī)。 另一種觀點(diǎn)是，高調(diào)宣傳物理量子比特的數(shù)量有點(diǎn)轉(zhuǎn)移注意力的意味——構(gòu)建量子比特的技術(shù)細(xì)節(jié)至關(guān)重要，這些細(xì)節(jié)會(huì)影響量子比特對(duì)噪聲的彈性和操作易用性等因素。相關(guān)公司通常會(huì)提供額外的性能指標(biāo)，如“量子體積”和“算法量子比特”的數(shù)字。在未來(lái)十年，糾錯(cuò)、量子比特性能和軟件主導(dǎo)的錯(cuò)誤“緩解”方面的進(jìn)步，以及不同類型量子比特之間的主要區(qū)別，將使這場(chǎng)競(jìng)賽變得逐漸白熱化。 |
